Positronen-Annihilation: Antimaterie in der Materialforschungpositron.physik.uni-halle.de/talks/Physik_Stammtisch_Febr07.pdf · Antimaterie in der Materialforschung R. Krause-Rehberg

PositronenPositronen--AnnihilationAnnihilation::Antimaterie in der MaterialforschungAntimaterie in der Materialforschung

R. Krause-RehbergUniversität Halle

• methodische Einführung

• Beispiele (Halbleiter, Metalle, Nanoporen)

RKR

Martin-Luther-Universität Halle

Physikstammtisch, Halle 20.2.2007

PositronenPositronen--KalenderKalender

1928 Positron durch Dirac vorhergesagt

1932 Positron in kosmischer Strahlung durch Anderson gefunden

1940ties WW von Materie mit Positrons studiert

1940-50 erste Studien der Elektronenstruktur mittels Winkelkorrelation

1950-1960 Entwicklung der Doppler-Verbreiterungs- & Lebensdauer-Spektroskopie

1969 Annihilationsparameter sind sensitiv für Kristalldefekte: Positroneneinfang (thermische Leerstellen in Metallen, plastische Deformation, Ionenkristalle)

1968 Positronen Erzeugungmittels LINAC

1982 Moderation von Positronen & Positronenstrahl-Systeme

1998 erste Positronen-Mikrosondearbeitet

1970 1975 1980 1985 1990 19950

50

100

150

200

250

300

Num

ber o

f pap

ers

Publication year

Positron studies of Defects Defects in semiconductors


PositronenquellenPositronenquellen

• β+-Zerfall: 22Na → 22Ne + β+ + νe + γ(1.27MeV)

(Laborquellen; Halbwertzeit: 2.6 Jahre; bis zu 106 e+/s)

• Paarbildung mit MeV-Elektronenstrahlen (oft mit LINAC):Bremsstrahlung erzeugt Positronen; >109 e+/s (unser Projekt einer hochintensiven gepulsten Positronenquelle am FZD in Rossendorf: EPOS)

• nukleare Reaktion: 113Cd(n,γ)114Cd + drei γ Quanten ⇒ Paarbildung: >1010

e+/s (am Forschungsreaktor-II München)


• Positronen-Wellenfunktion wird im Defekt lokalisiert (z.B. Leerstellen)• Annihilationsparameter ändern sich, wenn Positron im Defekt zerstrahlt• Defekte können nachgewiesen werden (Identifizierung und Quantifizierung)

Annihilationγ-Quant: 511 keV

β-Zerfall von 22Naγ-Quant: 1.27 MeV

Defektnachweis mit PositronenDefektnachweis mit Positronen


• es existieren bestimmte Leerstellen-Konfigurationen mit besonders hohem Energiegewinn

• „Magic Numbers“: 6, 10 und 14• Positronenlebensdauer steigt

mit Cluster-Größe• ab ca. n = 10 Sättigungs-

Effekt, d.h. exakte Größe dann nicht mehr zu ermitteln

Theoretische Berechnung der Lebensdauer fTheoretische Berechnung der Lebensdauer füür r LeerstellenLeerstellen--Agglomerate in SiAgglomerate in Si


T.E.M. Staab et al., Physica B 273-274 (1999) 501

Positronenlebensdauer: Zeitdifferenz zwischen 1.27 MeV γ-Quant (β+-Zerfall) und einem 0.511 MeV γ-Quant (Annihilation)

PM=Sekundärelektronenvervielfacher; SCA=Einkanalanalysator (Constant-Fraction Typ) TAC=Zeit-Impulshöhen-Konverter; MCA= Vielkanalanalysator

Die Messung der PositronenlebensdauerDie Messung der Positronenlebensdauer


0 1 2 3 4 5

103

104

105

106

τb = 218 ps

τ3 = 520 ps

τ2 = 320 ps

As–grown Cz Si Plastically deformed Si

Cou

nts

Time [ns]

• Lebensdauerspektren bestehen aus exponentiellen Zerfallstermen

• Einfang von Positronen in Defekte mit offenem Volumen führt zu langen Komponenten im Spektrum

• Spektrenanalyse wird mittels nichtlinearer Anpassroutinen durchgeführt

• Ergebnis: Lebensdauern τi und Intensitäten Ii

PositronenlebensdauerPositronenlebensdauer--SpektrenSpektren


TypischeTypische LebensdauernLebensdauern

0.1 1 10 100Lifetime (ns)

Semi-conductors

Metals and alloys

V, V2, VetcVX

142 ns

Polymers

Mesoporous materials

low-K dielectricsZeolites

Silica gels

Porous glassesPorous glasses

0 ns


Abkürzungen:

τλ κ

τλ

κλ λ κ

1 2

1 2 2

1 1

1

=+

=

= − =− +

b d d

d

b d d

, ,

,I I I

Die τi und Ii werden gefittet ⇒ Ergebnis: Einfangrate κ

Positroneneinfang durch einen Defekttyp: Positroneneinfang durch einen Defekttyp: TrappingTrapping--ModellModell


Defekte in Ge nach ElektronenbestrahlungDefekte in Ge nach Elektronenbestrahlung

Polity et al., Phys. Rev. B 55 (1997) 10480

Gee- irr. at 4K

• 2 MeV-Elektronenbestrahlung bei 4K induziert Frenkelpaare (Leerstellen + Zwischengitteratom)

• Ausheilstufe bei 200 K• bei hohen Bestrahlungsdosen bilden sich Doppelleerstellen


StressStress--strainstrain experimentsexperiments in Fein Fe

(Somieski et al., 1996)

• Stress-strain experiments on Fe using a standard testing machine

• measured in relaxed state

• distinct positron trapping after 80% Hooks range (fully elastic region)

• early stage of fatigue


Laser Hardening of SteelLaser Hardening of Steel

(Somieski et al., 1996)

• surface hardening by Laser treatment

• Laser power 1330 W, 16 mm/s

• hardening due to formation of dislocations

• positrons not sensitive to hardness itself, but to micro-defects


• Positronen aus β+ -Zerfall: breites Emission-Spektrum bis 540 keV

• tiefe Implantation in Probe

• ungeeignet für Untersuchung dünner Schichten

• monoenergetische Positronen nötig

• Moderation mittels Metallfolien

Informationstiefe der PositronenInformationstiefe der Positronen--MessungMessung


Effektivität der Moderation: ≈10-4

Moderation von PositronenModeration von Positronen


• Spot Durchmesser: 5mm

• Zeit für eine Doppler-Messung: 20 min

• Zeit für Tiefenscan: 8 h

Das PositronenDas Positronen--Strahlsystem in HalleStrahlsystem in Halle


Das Das PositronenstrahlsystemPositronenstrahlsystem in Hallein Halle

22Na-Quelle

Probenkammer

Strahlventil

differentielle Pumpe

magnetisches Strahl-führungssystem

DefectsDefects in Si in Si inducedinduced byby Ion ImplantationIon Implantation

• ion implantation is most important doping technique in planar technology

• main problem: generation of defects fi positron beam measurements(Eichler et al., 1997)


Laterale AuflLaterale Auflöösung mittels sung mittels PositronenPositronen--RasterRaster--MikroskopMikroskop


• monoenergetische Positronen durch Moderation

• laterale Auflösung ca. 2 µm• Lebensdauer-Messung möglich• Auflösung prinzipiell durch

Positronendiffusion limitiert (ca. 100nm)

Munich Positron Scanning Microscope

W. Triftshäuser et al., NIM B 130 (1997) 265


Mikrohardness indentation in GaAs


SEM

Positrons

(Krause-Rehberg et al., 2002)

• Comparison of SEM and Munich Positron Scanning Microscope; problem here at the moment: intensity

Positrons & PositroniumPositrons & Positronium

In materials without free electrons Positronium may be formed (Polymers, glass, liquids, gases).

25% 75%

PickPick--off Annihilation of ooff Annihilation of o--PsPs

pick-off annihilation

• o-Ps is converted to p-Ps by capturing an electron with anti-parallel spin

• happens during collisions at walls of pore

• lifetime decreases rapidly

• lifetime is function of pore size 1 ns ... 142 ns


Porous GlassPorous Glass

• we measured porous glass in a broad pore size range

• pore size obtained by N2-adsorption method

• for T=300 K general agreement to the RTE model

• calibration curve for the correlation of o-Ps lifetime and pore size

1 10 1000

20

40

60

80

100

120

140

T = 300 K

RTE Model Exp. Dataτ 4 (n

s)

Pore Size D (nm)

Variety of applications in all field of materials science:

• defect-depth profiles due to surface modifications and ion implantation

• tribology (mechanical damage of surfaces)

• polymer physics (pores; interdiffusion; …)

• low-k materials (thin high porous layers)

• defects in semiconductors, ceramics and metals

• epitaxial layers (growth defects, misfit defects at interface, …)

• fast kinetics (e.g. precipitation processes in Al alloys; defect annealing; diffusion; …)

• radiation resistance (e.g. space materials)

• many more …

Applications of Positron AnnihilationApplications of Positron Annihilation


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